我國(guó)鋼橋面板疲勞裂紋及維修管理

我國(guó)鋼橋面板疲勞裂紋及維修管理

前言我國(guó)鋼橋面板應(yīng)用歷程我國(guó)鋼橋面板疲勞裂紋舉例鋼橋面板設(shè)計(jì)，制造，安裝和維修管理中應(yīng)反思的問(wèn)題目錄

前言從上世紀(jì)90年代末至今，我國(guó)在不到20年的時(shí)期內(nèi)建成了上百座鋼橋面板大跨度鋼橋，應(yīng)用于懸索橋、斜拉橋的扁平鋼箱梁和鋼桁梁，以及鋼拱橋，連續(xù)鋼箱梁橋等，涉及公路橋、鐵路橋、公鐵兩用橋。這一建設(shè)速度、數(shù)量、規(guī)模是世界上任何國(guó)家、任何地區(qū)在如此短的時(shí)期內(nèi)都是無(wú)法相比的。然而，我國(guó)鋼橋面板疲勞裂紋也是非常嚴(yán)重的，呈現(xiàn)普遍性、早發(fā)性、多發(fā)性、再現(xiàn)性等特點(diǎn)。國(guó)外早期（上世紀(jì)50年代~70年代）建設(shè)橋梁中出現(xiàn)了裂紋類(lèi)型，我國(guó)出現(xiàn)了，國(guó)外沒(méi)有的裂紋類(lèi)型，我國(guó)也出現(xiàn)了。1.前言另外，國(guó)外鋼橋面板應(yīng)用初期，曾產(chǎn)生了大量的裂紋，后經(jīng)持續(xù)不斷的研究——改進(jìn)——實(shí)橋檢驗(yàn)，至上世紀(jì)80年末，已基本上走出了疲勞裂紋的陰影。我國(guó)鋼橋面板的應(yīng)用約滯后國(guó)外30~40年，理應(yīng)吸取國(guó)外的教訓(xùn)和研究成果，走一條更便捷的路，然而，我國(guó)建設(shè)的許多大型橋梁，雖然也投入專(zhuān)項(xiàng)資金進(jìn)行了研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改變，卻都重現(xiàn)了國(guó)外早期橋梁的狀態(tài)，甚至更嚴(yán)重。1.前言透過(guò)上述現(xiàn)象（或許我看得過(guò)于嚴(yán)重些），值得我們認(rèn)真思考以下問(wèn)題：（1）如何站在世界巨人肩上，踏下心來(lái)認(rèn)真研究先進(jìn)國(guó)家走過(guò)的歷程，避開(kāi)別人走過(guò)的彎路和失敗的教訓(xùn)，虛心吸取成功的經(jīng)驗(yàn)，走一條自己的健康發(fā)展之路。（2）認(rèn)清鋼橋面板（正交異性板）的結(jié)構(gòu)特征、受力行為（變形、應(yīng)變）、疲勞特點(diǎn)（多數(shù)為面外變形引發(fā)的疲勞裂紋）等方面與鋼主梁/主桁的區(qū)別，以及目前我們?cè)阡摌蛎姘宓脑O(shè)計(jì)、制造、架設(shè)、維修管理方面陷入的誤區(qū)。1.前言2.鋼橋面板應(yīng)用歷程2.1前期應(yīng)用（1960年~1980年代）（1）1960年代建成的成都——昆明鐵路（單線），位于山區(qū)，因工期緊迫，全線開(kāi)工，部分小跨度橋梁要求預(yù)架，又受當(dāng)時(shí)運(yùn)輸條件制約（現(xiàn)開(kāi)公路、汽車(chē)載重量5t、8t），為此，建設(shè)了若干孔32m的栓焊桁梁，鋼橋面板兼做道砟槽板。

這是我國(guó)首次應(yīng)用鋼正交異性板作為鐵路橋面板，縱肋為板式肋，進(jìn)行了正交異性板計(jì)算理論、全橋靜力試驗(yàn)、防腐蝕方案等方面的研究，至今仍在使用，但鋼橋面板腐蝕較嚴(yán)重。（2）1970年代，先后建成了32m鐵路鋼箱梁，3×64m連續(xù)鋼箱梁研究。1976年建成了3×64m斜腿剛構(gòu)單線鐵路橋，鋼橋面板箱梁，板式肋，道砟橋面，至今仍在使用。1980年代初，完成了跨度144m鋼桁梁正交異性橋面板雙線鐵路橋的研究和設(shè)計(jì)，因故未建。（3）1980年代建成馬房北江公路橋，跨長(zhǎng)64m的鋼箱梁，鋼橋面板縱肋為L(zhǎng)型，現(xiàn)仍在運(yùn)營(yíng)，但裂紋較嚴(yán)重。1987年建成了東營(yíng)黃河公路橋，鋼箱梁斜拉橋，縱向U肋，裂紋較嚴(yán)重。2.鋼橋面板應(yīng)用歷程2.2近期應(yīng)用（1990年以后）1996年至今建成了許多大跨度懸索橋和斜拉橋，加勁梁大部分為扁平鋼箱梁，少部分為鋼桁梁。隨后鋼橋面板陸續(xù)用于大跨度鋼拱橋、連續(xù)鋼箱梁橋、鋼桁梁橋。涉及公路橋、公鐵兩用橋、鐵路橋?？v向肋皆為U型肋，這些新建橋普遍產(chǎn)生了較嚴(yán)重的疲勞裂紋和橋面鋪裝層的病害。后建橋梁雖有不同的努力和改變，但疲勞裂紋并沒(méi)有收斂的趨勢(shì)。對(duì)于已產(chǎn)生裂紋的橋梁，也進(jìn)行了加固，由于加固設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)，又產(chǎn)生了新的裂紋。3.我國(guó)鋼橋面板疲勞裂紋舉例3.1某懸索橋照片1裂紋裂透面板3.我國(guó)鋼橋面板疲勞裂紋舉例3.1某懸索橋照片2U肋與面板角焊縫（現(xiàn)場(chǎng)仰焊）裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲勞裂紋舉例3.1某懸索橋照片3U肋與面板角焊縫裂紋（裂透面板，漏水）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.1某懸索橋照片4U肋與面板嵌補(bǔ)段段對(duì)接焊縫裂紋（挖補(bǔ)補(bǔ)后產(chǎn)生新裂紋紋）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.1某懸索橋照片5橫肋弧形切口處處源于焊趾處裂裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.1某懸索橋照片6橫肋弧形切口處處源于母材焰切缺欠處裂紋紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.1某懸索橋照片7.1橫肋與面板角焊焊縫（仰焊）裂裂紋照片7.2橫肋與縱向U肋角焊縫（立焊）裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.2某懸索橋照片8裂紋裂透面板3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.2某懸索橋照片10U肋現(xiàn)場(chǎng)接頭源于于鋼襯墊板對(duì)對(duì)接焊焊處裂紋照片9U肋現(xiàn)場(chǎng)接頭源于于U肋與面板角角焊縫（仰仰焊）處裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.2XX橋（懸索橋，1999年通車(chē)）照片11U肋嵌補(bǔ)段鋼襯墊墊板對(duì)接焊裂紋紋及與面板角焊焊縫裂紋照片12U肋嵌補(bǔ)段鋼襯墊墊板對(duì)接焊裂紋紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.2某懸索橋照片13U肋嵌補(bǔ)段外觀及及鋼襯墊板對(duì)接接焊裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.3某懸索橋照片14U肋嵌補(bǔ)段鋼襯墊墊板對(duì)接焊裂紋紋照片15U肋與面板角焊縫縫源于焊跟裂紋紋，已裂至焊縫縫表面3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.3某懸索橋照片16U肋與面板角焊縫縫源于焊跟裂紋紋照片17橫肋與面板角焊焊縫（仰焊）處處裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.3某懸索橋照片18縱隔板中斷處沿沿焊縫端部處裂裂紋（裂紋裂透上翼翼緣板厚，漏水水）照片19縱隔板中斷處沿沿焊縫端部處裂裂紋（裂紋向下翼緣緣板厚方向擴(kuò)展展）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.4某斜拉橋照片20桁式縱隔板外貌貌照片21桁式縱隔板鋼管管與插入式節(jié)點(diǎn)點(diǎn)板焊接處裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.4某斜拉橋照片22桁式縱隔板與實(shí)實(shí)腹式縱隔板連連接處，實(shí)腹縱縱隔板與橫隔板連接一一側(cè)，焊縫處裂裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.4某斜拉橋照片23裂紋同照片223.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.4某斜拉橋照片24裂紋同圖21（另一橋梁）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.5某斜拉橋照片25面板縱向?qū)雍负缚p過(guò)焊孔處，，源于橫肋與面面板角焊縫端部部焊趾處裂紋照片26橋面吊機(jī)與面板板連接處栓孔漏漏水3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.5某斜拉橋照片27橫肋與縱肋交叉叉部位源于弧形切口處處裂紋照片28橫肋與縱肋交叉叉部位源于弧形切口處處裂紋3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.6某懸索橋照片29橫肋與縱肋交叉叉部位源于弧形形切口處裂紋（（弧形切口形狀狀和尺寸設(shè)置不不當(dāng)）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.7某懸索橋照片30橫肋與豎向加勁勁肋連接焊縫處處裂紋（支座位位置、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)和焊接施工不不當(dāng)）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.7某懸索橋照片31豎肋與橫肋連接接焊縫處裂紋（（支座位置、細(xì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和焊接接施工不當(dāng)）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.7某懸索橋照片32水平加勁肋連接接焊縫處裂紋（（支座位置、細(xì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和焊接接施工不當(dāng)）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.7某懸索橋照片33加勁肋連接焊縫縫處裂紋（支座座位置、細(xì)節(jié)設(shè)設(shè)計(jì)和焊接施工工不當(dāng)）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.8某斜拉橋照片34橋面板U肋與橫隔板焊縫縫連接弧形切口處裂紋（弧形切口形形狀、尺寸設(shè)計(jì)計(jì)不當(dāng)）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.8某斜拉橋照片35橋面板U肋與橫隔板角焊焊縫弧形切口處裂紋紋（焊接施工嚴(yán)嚴(yán)重不良）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.8某斜拉橋照片36橋面板U肋與橫隔板弧形切口處裂紋紋（弧形切口細(xì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、加工工和焊接不良））3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.9某斜拉橋照片37橋面板U肋與橫隔板角焊縫連接弧形形切口處裂紋（（構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)不當(dāng)）3.我國(guó)鋼橋面板疲疲勞裂紋舉例3.9某斜拉橋照片38桁架縱梁梁斜撐與與水平桿之間的角角焊縫處裂紋（（構(gòu)造細(xì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)不當(dāng)））3.我國(guó)鋼橋橋面板疲疲勞裂紋紋舉例3.9某斜拉橋橋照片39底板U肋與橫隔隔板連接焊縫弧形切口口處裂紋紋（構(gòu)造造細(xì)節(jié)設(shè)設(shè)計(jì)不當(dāng)當(dāng)，加工工焊接不不良）目前我國(guó)國(guó)鋼橋面面板疲勞勞裂紋的的普遍性性、嚴(yán)重重性，后后續(xù)新建建橋梁疲疲勞裂紋紋發(fā)生率率仍未看看到收斂斂趨勢(shì)，，迫使我我們面對(duì)對(duì)以下二二項(xiàng)課題題：新建橋梁梁如何設(shè)設(shè)計(jì)和制制造，避避免產(chǎn)生生疲勞裂裂紋。已發(fā)生疲疲勞裂紋紋的運(yùn)營(yíng)營(yíng)橋梁如如何維修修加固，，恢復(fù)其其健全度度。在謀求解解決這二二大課題題之前，，首先應(yīng)應(yīng)認(rèn)識(shí)鋼鋼橋面板板（正交交異性板板）與鋼鋼主梁在在結(jié)構(gòu)特特征、受受力行為為、疲勞勞裂紋的的特點(diǎn)等等方面的區(qū)別；并借鑒先進(jìn)進(jìn)國(guó)家的的研究———改進(jìn)進(jìn)——實(shí)實(shí)橋應(yīng)用用檢驗(yàn)的的經(jīng)驗(yàn)。。然后認(rèn)認(rèn)真研究究我國(guó)鋼鋼橋面板板在設(shè)計(jì)計(jì)、制造造、維修修管理存存在的問(wèn)問(wèn)題，走我國(guó)自自己的鋼鋼橋面板板鋼橋建建設(shè)之路路。4.鋼橋面板板設(shè)計(jì)、、制造、、安裝和和維修管管理中應(yīng)應(yīng)反思的的問(wèn)題（1）單純?cè)鲈黾用姘灏搴穸?2mm→14mm→16mm→18mm→20mm（2）單純?cè)鲈黾涌v向向U肋抗彎剛剛度300x8x280(mm)300x8x300(mm)300x(8~10)x280(mm)增設(shè)小縱縱梁（3）單純減減小橫肋肋/橫隔板間間距4m→3.75mm→3.0mm→2.5m取消主梁梁腹板，，采用實(shí)實(shí)腹板橫橫梁（4）面板厚厚度、U肋剛度、、橫肋間間距三者者匹配設(shè)設(shè)計(jì)不當(dāng)當(dāng)。（5）面板、、U肋、橫肋肋三者之之間連接接的構(gòu)造造細(xì)節(jié)設(shè)設(shè)計(jì)不當(dāng)當(dāng)。4.鋼橋面板板設(shè)計(jì)、、制造、、安裝和和維修管管理中應(yīng)應(yīng)反思的的問(wèn)題4.1鋼橋面板板設(shè)計(jì)問(wèn)問(wèn)題（6）不當(dāng)?shù)牡臋M肋/橫隔板上上的弧形形切口形形狀和尺尺寸，面面板處過(guò)過(guò)大的過(guò)過(guò)焊孔尺尺寸。（7）任意改改變鋼橋橋面板傳傳力途徑徑的典型型事例某雙層承承載的鋼鋼桁梁?jiǎn)螁蚊嫠餍毙崩瓨?，，斜拉索索吊在上上層鋼橋橋面板中中央的縱縱梁上上。某5塔斜拉橋橋，6跨連續(xù)鋼鋼箱梁，，在中跨跨跨中最最大正彎彎矩區(qū)設(shè)設(shè)置縱向向伸縮裝裝置，伸伸縮小縱縱梁由鋼鋼橋面板板承力。。某索支撐撐橋鋼箱箱梁，梁梁端塔區(qū)區(qū)設(shè)縱隔隔板，其其余區(qū)域域不設(shè)，，造成傳傳力中斷斷，面板板裂紋。。一些索支支承橋鋼鋼箱梁，，無(wú)主梁梁腹板，，僅有橫橫隔板，，即非索索支承處處也都是是實(shí)腹板板橫隔板板。4.鋼橋面板板設(shè)計(jì)、、制造、、安裝和和維修管管理中應(yīng)應(yīng)反思的的問(wèn)題（8）避免鋼鋼箱梁制制造單元元、架設(shè)設(shè)單元的的不合理理分割即應(yīng)避免免組裝鋼鋼箱梁時(shí)時(shí)產(chǎn)生連連接偏心心而引起起次彎矩矩；應(yīng)避避免仰焊焊；應(yīng)避避免箱梁梁節(jié)段現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)接頭頭設(shè)置在在最大正正彎矩區(qū)區(qū)或最大大負(fù)彎矩矩區(qū)。將橫隔板板分解成成上、下下橫肋和和腹板，，上、下下橫肋劃劃分給上上、下板板單元件件，從而而避免了了仰焊。。4.鋼橋面板板設(shè)計(jì)、、制造、、安裝和和維修管管理中應(yīng)應(yīng)反思的的問(wèn)題（1）鋼橋面面板疲勞勞設(shè)計(jì)方方法與主主梁的區(qū)區(qū)別基于鋼橋橋面板的的結(jié)構(gòu)特特征、受受力行為為、疲勞勞裂紋特特點(diǎn)與主主梁/主桁的不不同，應(yīng)應(yīng)采用不不同的疲疲勞設(shè)計(jì)計(jì)方法：：鋼主梁/主桁是主主應(yīng)力引引起的疲疲勞，應(yīng)應(yīng)以采用用構(gòu)造細(xì)細(xì)節(jié)疲勞勞應(yīng)力（（斷面名名義應(yīng)力力）等級(jí)級(jí)設(shè)計(jì)法法為主，，構(gòu)造細(xì)細(xì)節(jié)疲勞勞抗力設(shè)設(shè)計(jì)法為為補(bǔ)充。。鋼橋面板板是面外外變形在在焊接連連接約束束處產(chǎn)生生的次彎彎曲應(yīng)力力集中而而引發(fā)的的裂紋，，應(yīng)采用用構(gòu)造細(xì)細(xì)節(jié)抗疲疲勞設(shè)計(jì)計(jì)法，并并選用疲疲勞抗力力較高的的構(gòu)造細(xì)細(xì)節(jié)，不不能硬套套構(gòu)件名名義應(yīng)力力的疲勞勞檢算方方法。（2）避免用用強(qiáng)度概概念來(lái)代代替疲勞勞設(shè)計(jì)。。4.鋼橋面板板設(shè)計(jì)、、制造、、安裝和和維修管管理中應(yīng)應(yīng)反思的的問(wèn)題4.2關(guān)于鋼橋橋面板的的疲勞設(shè)設(shè)計(jì)4.鋼橋面板板設(shè)計(jì)、、制造、、安裝和和維修管管理中應(yīng)應(yīng)反思的的問(wèn)題4.3關(guān)于鋼橋橋面板制制造鋼橋面板板的制造造質(zhì)量（（幾何精精度和焊焊接質(zhì)量量）與疲疲勞抗力力密切相相關(guān)。鋼鋼橋面板板的制造造質(zhì)量又又必須與與鋼箱梁梁制造結(jié)結(jié)合一起起考慮。。（1）鋼箱梁梁制造質(zhì)質(zhì)量應(yīng)實(shí)實(shí)施生產(chǎn)產(chǎn)全過(guò)程程控制，，包括正正確的施施工方案案，從下料、、組裝和和定位焊焊、焊接接施工、、焊接變變形控制制、檢驗(yàn)驗(yàn)等幾何尺寸寸精度的的全過(guò)程程控制，，使各鋼梁梁節(jié)段端端口幾何何精度（（包括各縱向U肋對(duì)接））控制在在統(tǒng)一的的容許誤誤差范圍圍內(nèi)，避避免連接接偏心產(chǎn)產(chǎn)生次彎彎矩。（2）提高焊焊工的技技能水平平，確保保組裝定定位焊、、U肋與面板板角焊縫縫的熔透透深度、、過(guò)焊孔孔和弧形形切口處處、焊端端圍焊等等特殊部位位的焊接質(zhì)質(zhì)量。（3）避免仰仰焊。（4）合合理分割割制造單單元和架架設(shè)單元元。最大大限度減減少現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)焊接的的工作量量。4.鋼橋面板板設(shè)計(jì)、、制造、、安裝和和維修管管理中應(yīng)應(yīng)反思的的問(wèn)題4.4關(guān)于鋼橋橋面板試試驗(yàn)研究究（1）基于鋼鋼橋面板板的結(jié)構(gòu)構(gòu)特征、、受力行行為、疲疲勞裂紋紋部位，，應(yīng)采用用IIW推薦的方方法采用用實(shí)體元元的3DFEM法分析不不同裂紋紋源的應(yīng)應(yīng)變和變變形。（2）鋼橋面面板疲勞勞試驗(yàn)中中應(yīng)注意意以下問(wèn)問(wèn)題避免用軸軸向拉伸伸小試樣樣來(lái)確定定各細(xì)節(jié)節(jié)的疲勞勞抗力。。足尺試樣樣應(yīng)充分分考慮支支撐的約約束狀態(tài)態(tài)與實(shí)橋橋接近，，加載狀狀態(tài)和輪輪載